冷却结构参数对气膜/冲击复合结构冷却性能的影响研究

采用气热耦合数值计算方法,研究了带有气膜/冲击复合冷却平板结构的冷却性能,分析了三种气膜孔结构(单排圆柱孔、双排圆柱孔和单排扇形孔)、不同冲击孔径、冲击距离对综合冷却效率、冲击壁面换热特性以及气膜流场结构的影响。计算结果表明,内部冲击冷却对综合冷却效率的影响程度因外部气膜冷却结构不同而不同;冲击孔径不同不仅会影响内部冲击冷却效果,同时也对外部气膜冷却的流场结构和冷却效率有所影响。     

带肋气膜冷却平板的数值模拟研究

本文对不带肋和带45°肋气膜冷却平板的三维对流换热与导热耦合传热问题进行了数值模拟。网格划分采用非结构化网格,湍流模型为SSTκ-ε模型,近壁处采用壁面函数法,采用SIMPLEC算法求解速度和压力的耦合。计算获得了不带肋和带45°肋气膜冷却平板的流场分布和平板内外表面的换热系数值。结果表明带45°肋的气膜冷却平板通道流场结构比较复杂,平板表面平均温度较无肋气膜冷却平板表面平均温度下降,而在近气膜孔区域冷、热表面平均换热系数较无肋时增大。     

开槽冷却孔结构的耦合传热特性的研究

本文通过数值模拟方法研究了开槽气膜孔的冷却特性和流场分布,通过考虑固体材料的导热影响,耦合分析壁面的热流量,通过对平板结构气膜孔下游的绝热气膜冷却效率的研究,最终提出最佳的流速比。数值模拟结果表明,流速比0.5的工况可以提供较为均匀和稳定的冷却效果和最佳的壁面绝热冷却效率,同时,相比于壁面的气膜冷却效果,材料导热性能对壁面冷却效果起着主导作用。     

带肋通道和气膜冷却交互下的绝热和耦合传热研究

燃气轮机透平叶片冷却中,内部肋片扰流对气膜冷却效果有显著影响,当边界条件为金属壁面绝热和金属壁面耦合时,冷却效率会有不同的表现。本文采用数值计算方法,分别计算绝热边界和耦合边界条件下,气膜孔进口与内部冷却扰流肋片不同相对位置条件下的绝热气膜冷却效率和耦合条件下的整体冷却效率进行计算。结果表明当气膜进口位于肋后扰流区时,绝热气膜冷却效率较差。绝热边界和耦合边界条件下流场相似,气膜孔与肋片相对位置对于气膜孔下游整体冷却效率的影响与绝热条件相似。     

湍流度对单排圆孔及后扩孔气膜冷却的影响

通过传热-传质类比法研究了湍流度对单排圆柱孔及后扩孔气膜冷却效率的影响.计算结果表明,小吹风比M=0.5时,圆柱孔与后扩孔的壁面冷却效率相当,湍流度趋向于在整个下游区域使冷却效果恶化;大吹风比M=2时,后扩孔产生的壁面气膜冷却效率的提高明显,而湍流度的提高强化了冷却剂向壁面的扩散,削弱了冷却气膜脱离壁面的现象,趋向于在整个下游区域提升冷却效率.     

超声速气膜冷却中激波抑制的研究

针对激波破坏超声速气膜冷却的机理,本文提出了一种壁面开孔的结构,数值研究结果表明：一方面,壁面开孔的结构能使激波作用的区域壁面附近的压力分布较均匀,从而使近壁区的马赫数分布比不开孔的壁面要高,有利于超声速气膜冷却。同时在激波的作用下,冷却气体可以通过开孔壁面的孔进入槽道内,而在槽内的下游再从孔里流出,保护下游的壁面,这...     

叶片冲击/气膜复合冷却的数值研究

应用数值方法研究了燃气轮机透平叶片冲击/气膜复合冷却特性。首先对湍流模型进行了考核,根据与已有试验数据的比较,数值计算选用与试验结果吻合最好的SST k-ω模型进行。然后分析了不同吹风比下叶片前缘内部冲击冷却和外部气膜冷却的流动和换热特性。结果表明:冲击室内,平均努塞尔数在叶根处最低,沿叶高方向逐渐增大,从某一叶高处开始在一定的范围内波动。随着吹风比的提高,冲击室内周向平均努塞尔数及其峰值都增大,气膜孔附近的气膜冷却效率降低,气膜孔下游的气膜冷却效率增加。     

开槽锥形孔对耦合传热特性的影响研究

本文通过数值模拟的方法对不同开槽孔结构对壁面的流场分布和冷却效率进行了研究,综合考虑固体内部导热和壁面表面对流换热的耦合传热特性,研究了开槽锥形孔和开槽圆柱孔对下游壁面冷却效果的影响。结果表明:在流速比V_r=0.5时,开槽锥形孔的冷却气能更好的被压覆在冷却壁面上,且有较大的横向扩展,对整个下游壁面有较好的冷却效果。     

叶顶下游孔位对气膜冷却特性影响的数值研究

本文通过数值模拟方法对凹槽叶顶区的气膜孔的位置进行了研究,通过将一个下游气膜孔布置在叶顶前缘来研究气膜孔位置对叶顶区传热的影响。数值模拟结果表明,下游区气膜孔被布置到前缘区,改善了叶顶前缘的低绝热冷却效率区,获得了均匀的气膜保护,同时对下游区的气膜冷却效率影响不大,无论是放在前缘第一气膜孔上游还是靠近吸力边布置,下游区绝热效率和平均传热系数几乎不受该气膜孔在前缘位置的影响。     

扰流柱布局对网格缝结构气膜冷却特性的影响

为了研究网格缝结构的气膜冷却特性,开展了平板模型试验研究,使用瞬态液晶测温技术测量了缝下游表面的气膜冷却效率和换热系数分布,在相同压比下与圆柱孔进行了气膜冷效对比,同时研究了缝内扰流柱布局对网格缝结构气膜冷却特性的影响。网格缝结构的吹风比范围为0.26M1.25。实验结果表明:网格缝结构的气膜冷效展向分布均匀性比圆柱孔有显著提高,且吹风比增加后不会出现射流脱离壁面的现象;在扰流柱和缝后斜面的作用下,缝下游会形成对卷旋涡,使得最下游一排扰流柱下游的气膜冷效相对较高;扰流柱顺排时,缝下游气膜冷效分布更均匀,大吹风比时,顺排结构的展向平均气膜冷效比叉排结构高出23%~84%,换热系数比高出11%;吹风比M1时,顺排结构的流量系数更高,M1时,叉排结构的流量系数更高。     

壁面热特性对超声速燃烧室热环境的影响

在分析燃烧室壁面的对流-辐射耦合换热特性基础上,考虑燃烧室热环境与冷却系统间的相互关系,提出了一种以燃烧室材料许用温度为约束的非均匀冷却壁面热特性设计方法.以某型超声速燃烧室为例,采用混合分数平衡化学反应和液滴离散相模型,计算分析了壁面热特性对燃烧室壁面热流构成、热环境及冷却系统热负荷的影响.结果表明,壁面热特性对超声速燃烧室热环境的影响值得重视,非均匀冷却壁面热特性设计能有效减少燃烧室热损失.     

气热耦合多孔气膜冷却流动的数值研究

对具有气膜冷却的某涡轮叶栅,提取中部截面型线进行了平面叶栅的气热耦合数值模拟,研究了多孔射流气膜冷却流动的特点.主流与固壁气流耦合计算表明,冷却气流在冷却腔内的流动过程中,被固体壁面加热,在喷射入主流场之前温度升高幅度较大,使得沿程后部的冷却效果减弱,同时研究了多射流孔附近区域三维定常流动的流场.     

液氮滴撞击壁面相变行为的数值研究

采用Level Set-VOF方法建立单液氮滴撞击壁面的数值模型,探索壁面润湿性(30°—150°)、撞击速度(0.1和1.6 m/s)及壁面温度(300—500 K)对液滴撞壁演化过程中相变行为的影响,并理论推导了气膜生长数学模型.结果表明:增强壁面润湿性、提高撞击速度有利于液滴沿径向铺展,从而增大了换热面积并降低热阻,使换热性能得到显著提升;提高壁面温度增大了换热温差,热流密度随之上升;三相接触线处热阻较小导致边缘处热流密度高于中心处,不同润湿壁面上热流分布的差异性因初始速度的增大而缩小,呈现明显的速度效应;在膜沸腾区,传热过程主要集中在撞击初期,气膜是主要换热热阻;基于质量守恒和能量守恒建立气膜生长数值模型,模型预测结果与本文模拟结果和其他研究结果非常吻合.     

涡轮动叶吸力侧单排气膜孔冷却性能研究

本文通过数值模拟的方法,针对涡轮叶片吸力侧的单排气膜孔,研究了无量纲气膜孔出流位置、气膜孔复合角度和冷却空气质量流量占比对其气膜冷却效率与气动掺混损失的影响。结果表明,对于近前缘气膜孔,0.5%的冷却空气质量流量可以在保证较好的气动效率的同时在下游附近提供较高的绝热气膜冷却效率;对于中后部气膜孔,90°的气膜孔导致的掺混损失比相同冷气量的近前缘气膜孔高出一倍,此时复合角为60°的气膜孔有更好的气膜冷却效果。对比不同的孔排位置,位于流向位置0.3的气膜孔可以在下游较大区域取得良好的冷却效果,而且不引起过大的掺混损失。     

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介绍了过冷沸腾换热的数值模拟方法以及在EAST第一壁组件冷却系统中的应用.采用双流体模型,系统分析了过冷沸腾壁面换热过程中存在的各种换热模式,给出了Fluent软件封闭关系式中所需的质量、动量以及能量的交换项的形式.采用用户自定义函数(UDF)模拟壁面沸腾气化过程,对提出的模拟方法与已发表的实验数据对比进行了校核,得出合理的结论.最后分析了过冷沸腾两相流在EAST第一壁中的工程应用,模拟了热沉冷却结构的沸腾换热现象.为EAST PFCs的冷却结构优化提供了依据.     

超音速气膜冷却及其受斜激波的影响

选取了一组接近超燃发动机内部实际工况的边界条件,对二维平行缝槽形式的超音速气膜冷却进行了数值计算,比较了吹风比、缝槽高度和隔板厚度等因素对壁面冷却效率的影响,并考虑了不同强度的斜激波入射气膜冷却边界层对壁面冷却效果和压力分布的影响.通过回归分析,不受激波影响的超音速气膜冷却的壁面冷却效率可以整理成统一的关联式.计算结果表明,斜激波入射将使入射点及其下游的壁面冷却效率降低,但是这个影响没有向上游传播.     

热斑迁移路径上非定常气膜冷却特性研究

热斑在涡轮级中迁移会引起叶片局部温度过高,影响叶片使用寿命。本文在涡轮进口存在热斑的工况下,对整级涡轮叶栅进行数值模拟,研究热斑迁移路径上的气膜非定常冷却特性。结果表明:气膜孔附近区域流场和温度场的变化与主流周期性相同,动叶前缘经历热斑流场的时间约占整个周期的1/4。叶片前缘冷却射流可以冲散到达叶片前缘的热斑高温流体,热斑核心温度降低。采用压力脉动的气膜冷却的冷却效率低于常规气膜冷却,冷却效率随脉动频率的升高而增大。     

气膜冷却平板换热系数的实验研究

本文综合评述了气膜冷却壁面换热系数有关文献的公式。对谢象春和Spalding的理论分析方法,分别通过计算同实验结果进行了比较。通过电加热气膜冷却平板的换热实验,建立了一组计算气膜冷却平板换热系数的准则公式。     

曲面对层板/热障涂层耦合结构冷却特性的影响

先进的双层壁化叶片表面喷涂热障涂层是提升未来航空发动机热效率的关键技术之一。本文利用数值模拟探讨了壁面曲率对涂敷热障涂层的双层层板冷却结构体系中各热防护措施(包括：气膜冷却、内部近壁换热及表面涂层隔热)的影响,并在不同热障涂层厚度和冷/热气流吹风比下,开展了金属表面综合冷却效率(?)和TBC热防护效率(τ)对壁面曲率的敏感性分析。结果表明：曲面对气膜效率和热障涂层热防护作用影响较大,但几乎不会影响内部传热。凸面模型具有最高的气膜效率,而在凹面模型中使用热障涂层会产生最大的?增量。整体来看,凸面具有最高的?和τ,凹面下这两种效率均最低。吹风比增加会显著降低?和τ对曲面的敏感性。热障涂层厚度增加会削弱?对曲面的敏感性,但会增强τ对曲面的敏感性。     

非定常激波对气膜冷却影响的数值模拟

利用数值计算的方法研究了非定常激波对下游涡轮叶片表面气膜冷却的影响.冷却气流在激波和尾迹经过的过程中,发生了上扬和重新被压制回壁面的现象.考察了壁面上特定点在有气膜和无气膜情况下的换热量.通过计算发现,有气膜时的换热量有不同程度的下降,而且换热量随时间变化的趋势也发生了很大的变化.气膜的覆盖减小了主流场对壁面换热量的影响.